Composition du jury proposé :

• Cécile CORNOU, Directrice de recherche, Université Grenoble Alpes / ISTerre – Rapporteure
• Fernando LOPEZ-CABALLERO, Professeur des universités, LMPS, Université Paris-Saclay – Rapporteur
• Jean-François SEMBLAT, Professeur, ENSTA / Institut Polytechnique de Paris – Examinateur
• Didier SUBRIN, Ingénieur senior, CETU – Examinateur
• Claude BOUTIN, Ingénieur senior, ENTPE / LTDS – Directeur de thèse
• Antoine RALLU, Ingénieur senior, ENTPE / LTDS – Co-directeur de thèse
• Nicolas BERTHOZ, Docteur, CETU – Invité
• Charisis CHATZIGOGOS, Docteur, Geodynamics & Structures (GDS) – Invité

Résumé :

Au cours des dernières décennies, le développement des infrastructures souterraines, notamment pour les tunnels en milieu urbain, s’est considérablement accéléré. Cette évolution, portée par les besoins croissants en mobilité durable et en densification urbaine, s’accompagne d’une préoccupation majeure : les vibrations engendrées dans le sol lors de l’excavation. Les tunneliers (Tunnel Boring Machines, TBM), bien qu’efficaces et largement utilisés, génèrent des vibrations qui se propagent dans le sol et peuvent affecter la sécurité des bâtiments avoisinants ainsi que le confort des riverains. Face à la complexité de ces phénomènes, une compréhension approfondie des mécanismes de génération et de propagation des vibrations, ainsi que de leurs interactions avec l’environnement, est essentielle. Cette thèse répond à ces enjeux à travers une approche intégrée, alliant expérimentation in situ et modélisation numérique. Ce travail s’inscrit dans le cadre du programme Grand Paris Express, à travers le projet ANR E-PILOT coordonné par la Société du Grand Paris, en collaboration avec l’ENTPE/LTDS, le GDS, l’Université Gustave Eiffel, le CEREMA et le CETU. Une campagne expérimentale à l’échelle réelle a été menée afin d’analyser les chemins de propagation des vibrations générées par les TBM dans des conditions réelles. Deux chantiers ont été instrumentés : le site d’Orly (ligne 18) et celui de Toulouse (ligne C). Les mesures ont été réalisées à trois niveaux : en surface, à la source (à l’intérieur du tunnelier) et en profondeur dans le sol – cette dernière configuration constituant l’un des apports novateurs de cette étude. Des géophones de types variés ont été utilisés pour enregistrer les signaux vibratoires. Les signaux recueillis ont été analysés à la fois dans le domaine temporel et fréquentiel. Cette analyse a permis de caractériser la source vibratoire et d’étudier l’influence de plusieurs paramètres : la stratigraphie des sols, la profondeur du tunnel, et les efforts moteurs du TBM. Les résultats ont été confrontés à la littérature existante afin de valider les observations et d’enrichir les connaissances sur le comportement vibratoire des terrains en contexte de creusement souterrain. En complément, une modélisation numérique a été développée via un couplage éléments finis/éléments de frontière (FEM-BEM) en 3D, permettant de représenter le comportement dynamique du système tunnel–sol–fondation soumis aux efforts du tunnelier. Une stratégie progressive de modélisation a été adoptée : d’abord en champ libre, puis avec une fondation isolée, un groupe de pieux sans masse de superstructure, et enfin un système structural complet avec masse du bâtiment. Ces modèles ont été soumis à différentes sollicitations représentatives des forces générées par le TBM et pour trois profils de sol distincts. L’indicateur principal retenu est la mobilité de transfert, qui permet d’évaluer la transmission des vibrations à travers les différentes couches de sol jusqu’aux éléments de fondation. L’analyse de gain d’insertion à la surface, calculé comme la différence de mobilité entre le modèle de référence (champ libre) et les modèles avec structures, a permis d’estimer l’effet des fondations et des superstructures sur les vibrations en surface. En conclusion, ce travail propose une analyse complète des vibrations induites par les tunneliers, intégrant mesures in situ et modélisation avancée. Il souligne l’importance de l’interaction sol-structure et apporte des éléments essentiels pour la conception d’infrastructures souterraines urbaines plus sûres et plus résilientes. Mots-clés : Tunnelier (TBM), Vibrations du sol, Propagation des ondes, Interaction sol-structure (SSI), Modélisation numérique, Mesures sur site, Creusement urbain, FEM-BEM, Mobilité de transfert, Gain d'insertion, Effet de pile ajouté.

Abstract

Over the past decades, the development and expansion of underground infrastructure, particularly for tunneling applications in urban areas, have become increasingly widespread. This evolution, driven by the need for sustainable transportation and urban densification, is accompanied by a growing concern regarding the ground-borne vibrations induced during tunnel excavation. Tunnel Boring Machines (TBMs), while efficient and widely used, generate vibrations that can propagate through the soil and potentially affect the safety and comfort of nearby buildings and residents. Given the complexity of these phenomena, a thorough understanding of the vibration generation mechanisms and their interactions with the surrounding environment is essential. This thesis addresses these challenges through an integrated experimental and numerical approach. Conducted within the framework of the Grand Paris Express program, this research was carried out as part of the ANR E-PILOT project. The project is coordinated by the Société du Grand Paris and brings together several institutional partners, including ENTPE/LTDS, GDS, University Gustave Eiffel, CEREMA, and CETU. A full-scale experimental campaign was deployed to investigate the propagation path of TBM-induced vibrations in real conditions. The experimental setup included two distinct construction sites: the Orly site, where Metro Line 18 is under construction, and the Toulouse site, undergoing the extension of Metro Line C. Both sites were instrumented using various types of geophones positioned at three key locations: at the surface, inside the TBM (source), and within the soil itself. This multi-level instrumentation, particularly the placement of sensors within the soil, represents a novel contribution of the study. The acquired vibration signals were processed in both the time and frequency domains. This analysis enabled the characterization of the TBM source, as well as the investigation of several influencing parameters such as soil stratigraphy, tunnel depth, and TBM driving forces. The results were critically compared with findings from existing literature to validate and expand the current understanding of tunnel-induced vibration behavior. Complementing the experimental investigation, a numerical modeling approach was developed using a coupled 3D Finite Element Method - Boundary Element Method (FEM-BEM) framework. This model captures the tunnel-soil-pile system's dynamic behavior under TBM excitation. The modeling followed a progressive strategy: starting from a free-field condition (no structural interaction), then introducing a single pile, a pile group without superstructure mass, and finally a complete structural system including the building mass. These models were subjected to different types of excitation forces replicating the TBM action and for three different soil configurations. The key indicator used for analysis was the transfer mobility, which quantifies vibration transmission through the soil and into structural elements. From this, the insertion gain at the surface was computed to assess the impact of structural presence on surface vibrations, relative to the free-field condition. This approach enabled the evaluation of how various design parameters influence the vibration levels experienced at the ground surface. In conclusion, this work presents a comprehensive study of TBM-induced vibrations, integrating real-world measurements and advanced numerical modeling. It highlights the importance of soil-structure interaction and provides critical insights to support the design of safer and more resilient underground infrastructures in urban settings. Keywords: Tunnel Boring Machine (TBM), Ground Vibrations, Wave Propagation, Soil–Structure Interaction (SSI), Numerical Modeling, Field Measurements, Urban Tunneling, FEM-BEM, Transfer mobility, Insertion Gain, Added pile effect.